Frequency stabilization of a 729 nm Ti:Sa laser for qubit manipulation in trapped calcium ions

Quanteninformationsexperimente mit gefangenen 40Ca+ Ionen benötigen einen schmalbandigen Laser bei einer Wellenlänge von 729 nm zum Anregen des Qubitübergangs zwischen 42S1/2 und 32D5/2. In dieser Arbeit wird ein Titan:Saphir-Laser beschrieben, welcher bei einer Wellenlänge von 729 nm mithilfe des Pound-Drever-Hall-Verfahrens auf einen externen Resonator frequenzstabilisiert wird. Die Laserlinienbreite wurde mittels Schwebungsmessungen mit anderen frequenzstabilisierten Lasern und Ramsey-Experimenten mit einem einzelnen gefangenen 40Ca+ gemessen. Die niedrigste gemessene Linienbreite (FWHM) wurde mittels einer Schwebungsmessung erhalten und beträgt 4.2(17) Hz bei einer Messzeit von 1 s, was eine obere Grenze für die Linienbreite des Titan:Saphir-Lasers darstellt. Diese niedrigste Linienbreite wurde erreicht, nachdem eine Vibrationsisolationsplatte unter dem Resonator installiert wurde. Eine Analyse der installierten Faserrauschunterdrückung und Laserintensitätsstabilisierung legt nahe, dass Faser- und Laserintensitätsrauschen die niedrigste gemessene Linienbreite nicht limitieren. Die Schwebungsmessungen mit anderen frequenzstabilisierten Lasern wurden zusätzlich verwendet, um einen Wert für die Drift der Laserfrequenz des stabilisierten Lasers zu erhalten, und die gemessene Drift ist -371(3) mHz/s.
Quantum information science experiments with trapped 40Ca+ ions require a narrow-linewidth laser at a wavelength of 729 nm to drive the qubit transition between 42S1/2 and 32D5/2. In this thesis, a Titanium:Sapphire laser is presented that is frequency-stabilized to a reference cavity at a wavelength of 729 nm using the Pound-Drever-Hall technique. The laser linewidth was measured through beat measurements with other frequency-stabilized lasers and Ramsey experiments on a single trapped 40Ca+ ion. The narrowest measured linewidth (FWHM) was obtained via a beat measurement and is 4.2(17) Hz at a measurement time of 1 s, representing an upper limit for the Titanium:Sapphire laser linewidth. This narrowest linewidth was achieved after a vibration-isolation board was installed underneath the reference cavity. An analysis of the installed fiber noise cancellation and laser intensity stabilization suggests that fiber and laser intensity noise do not limit the narrowest measured linewidth. The beat measurements with other frequency-stabilized lasers were additionally used to obtain a value for the stabilized laser’s frequency drift, which is measured to be -371(3) mHz/s.
presented by Armin Winkler
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Masterarbeit University of Innsbruck 2023